发电机保护 - 故障类型和保护装置

发电机故障类型及保护装置

常见的发电机故障

发电机故障 通常分为内部故障和外部故障; 内部故障 是由于生成器组件中的问题 和外部故障 是由于异常运行条件和外部网络故障 .

错误 在原动机上 （原动机是用于驱动发电机的组件 并且可能是内燃机（柴油发电机组的情况）、燃气轮机、蒸汽轮机、风力涡轮机和水轮机）和相关系统 不会讨论，因为它们通常是在机械设计阶段定义的 设备。

但它们必须集成在发电机保护装置中以实现跳闸目的。

发电机内部故障的类型

内部故障可能是电气故障或机械故障

1.定子故障

• 绕组过热
• 绕组相间故障
• 绕组相接地故障
• 匝间故障

2. 转子故障

• 接地故障
• 绕组短路（绕线转子 )
• 过热

3.磁场/励磁损失 （字段 在交流发电机中 由发电机内的导体线圈组成，这些线圈从电源（称为励磁）接收电压 ) 并产生磁通量）。

4. 发电机失步

5. 电机操作

6.轴承过热、润滑油压力不足

7. 振动

定子绕组过热 可能是由永久过载引起的 和相间和接地故障 是由于绝缘击穿 .

转子绕组短路 导致励磁电流增加和励磁电压降低 .

转子过热 是定子电流不平衡的结果 ，由于：

• 单刀旅行
• 定子绕组故障
• 负相序

定子电流中的负相序和不平衡电流 并产生电枢磁通 与转子相反的方向旋转 , 在转子质量中产生涡流 .

这些涡流 , 在 两次 系统频率 （50Hz 或 60Hz )，会产生转子外围的局部过热 这可能会导致转子固定楔和环的缺陷 .

当生成器失去激励（或场 ), 无功功率 从电力系统流入发电机 .然后生成器失去同步 并且作为感应发电机运行，高于同步速度 .

同步速度以上 转子 将开始振荡以尝试锁定同步 ，导致过热和其他损坏 .只要系统稳定 , 无功功率 (MVAr ) 将流入发电机，机器将继续输出有功功率 （兆瓦 )。

发电机电机运行 当向涡轮机供应蒸汽或水时可能发生 失败 和生成器 从电力系统获取电力 .

在蒸汽轮机中 蒸汽充当冷却剂 , 保持叶片恒温 . 蒸汽供应故障 可能导致刀片过热 .在某些机器上，温升非常低 和驾车 可以忍受相当长的时间 .

水轮机 会有气蚀 （在液体中形成空腔，然后立即内爆 – 小型无液体区 （“气泡 “) – 是作用在液体上的力的结果 )。

它通常发生在液体受到压力的快速变化 导致在压力相对较低的地方形成空腔 .

气蚀 是一个重要的磨损原因 .进入高压区时 , 在金属表面内爆的空化气泡 通过反复内爆引起循环应力 , 导致金属表面疲劳 .

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发电机外部故障的类型

外部电力系统故障及异常运行状况 分别是：

• 外部短路故障
• 发电机非同步连接
• 失步（滑极或失去同步）
• 重载
• 超速
• 相位不平衡和反相序
• 频率不足和频率过高
• 欠压和过压

一个未清除或清除缓慢的故障 在网络系统上 会导致生成器 开始滑杆 ，或“步调一致 ”与系统的其余部分 .

这样的条件 不受欢迎 因为对轴施加了有害的机械应力 ，以及严重的功率波动 对电力系统电压产生干扰 .

不同步 可能由外部短路、重要电感负载关闭或励磁系统故障引起 .

超速 是突然关闭总负载的结果 或负载的重要减少 .

发电机保护装置

发电机是电力系统中最昂贵的设备。以下装置用于交流和直流发电机的故障保护。

• 定子接地故障保护（定子绕组相间和定子接地或差动继电器的接地故障保护）
• 转子接地故障保护
• 不平衡定子负载保护（失磁保护和无功功率变化）
• 定子过热保护（定子绕组和轴承过热保护和负相序保护）
• 防止锅炉失火
• 防止原动机和涡轮故障（定子相不平衡保护）
• 过速和过励磁保护（由于过励磁导致磁芯饱和）
• 绝缘故障
• 防止润滑油失效
• 低真空保护
• 防振保护和欠频和过频保护
• 发电机后备保护
• 防止转子失真和相位补充启动保护
• 防止外部短路故障
• 防止发电机静止部分和旋转部分之间的差异扩大
• 逆功率保护和负潮流保护

因此需要可靠的继电保护方案来快速检测和清除发电机故障 尽量减少损坏并将维修时间降至最低 .

防止定子绕组相间故障 通过差分继电器执行 , 哪个原则之前在其他部分讨论过。这个保护装置 无法检测绕组匝间故障 .

当这种类型的错误 发生相电压降低 并出现零序电压;这个电压 由电压继电器检测到 （ANSI/IEEE/IEC 代码 60 ) 连接到 VT .

定子接地或接地故障 保护 取决于 定子接地 .对于电阻接地系统 过电流继电器 连接到“环形”CT 在中性连接内 或电压继电器 在电阻终端 可以用。

在正常健康状况下 没有电流流过电阻 和端子处的电压 等于零 .

用于通过变压器接地 电压继电器 检查连接到变压器次级的电阻上的电压 被使用了。

在正常健康状况下 接地变压器 开发没有二次电压 ，并且没有电压施加到继电器 .当发生定子接地故障 ，在接地变压器次级端子上产生电压 ，电压继电器动作 .

图 1 显示了定子差动和接地故障保护的典型连接。

绕线转子绕组短路故障 由过电流继电器保护 .

转子绕组可能因接地故障而损坏。

转子或励磁绕组 大型热发电机 没有接地 ，因此单个接地故障不会产生故障电流 .

一个单一接地故障 ，但是，提高了整个磁场和激励器系统的潜力 ，以及由打开励磁断路器或主发电机断路器引起的额外电压 , 特别是在故障条件下 , 可能增加压力 到田野 ，当定子 瞬态 诱导一个额外的 电压 在励磁绕组中 .这个额外电压 可能会导致励磁绕组发生第二次故障 .

第二个故障 d 可能会导致熨斗局部加热而变形 转子，造成危险的不平衡。

防止转子接地故障 可由继电器提供，该继电器通过向转子施加辅助交流电压来控制转子的绝缘 或与高电阻串联的电压继电器 (线性和非线性电阻组合是当今常用的方法 ) 连接在转子电路上 , 中心点 其中通过敏感继电器的线圈接地 （ANSI/IEEE/IEC 代码 64）。

当今现代技术要求使用结合 线性和非线性电阻器 .

图2显示了一个转子的例子接地故障保护 .

字段保护丢失 使用中继 检测无功功率流的变化。 典型的失磁保护 方案使用 Offset Mho (阻抗 ) 接力 测量发电机负载阻抗 .

偏移姆霍 阻抗继电器 是一个单相继电器 , 并由生成器 CT 提供 和 VT . 现场继电器丢失 如果负载阻抗的值落在继电器的工作特性范围内，则将工作 是的。

一个定时继电器​​ 包含在启动跳闸 如果领先的无功功率条件，则机器的 持续 1 秒 （典型 )。

防止核心饱和 由于过度激发 在启动和关闭期间 过激保护 （ANSI/IEEE/IEC 代码 59） 被使用了。

过激 可以用下面的公式来解释：

B =V / f

其中B是磁通密度 或 磁感应 或核心通量（单位：特斯拉 - T ), V 是施加的电压 （单位：伏特 - V ) 和 f 频率 （单位：赫兹 - Hz )。

对于核心通量 保持低于饱和点 , 发电机电压 可能只能随着频率（或速度）的增加而增加 .

如果激发 增长太快 , 那么这个过激条件 必须检测到 ，并且现场断路器跳闸 .

过激 保护方案使用 Volts per Hertz 继电器 .

这些继电器具有线性特征 ，如果电压除以频率超过设定值就会运行 .

定子绕组和轴承过热保护 通常由 RTD 执行 和 t热敏电阻 监测温度 .

定子相不平衡保护 通常使用反时限过流继电器 ，即设置 按照 转子可以承受这种过热的最长时间 .

发电机功能负相序保护 是为了保护机器免受过热 效果，即在转子处 ，这是由于定子相电流不平衡造成的 .

这个保护 使用中继 通过 CT 比较两相电流 ，如图3所示。

保护 是设置 根据转子可以承受这种过热的最长时间 和时间 由等式 K =I ² 定义 t （基于焦耳定律 )。

典型曲线 对于这种情况，取决于原动机 并且由制造商指定 .

反向电源保护 （ANSI/IEEE/IEC 代码 32）使用功率方向继电器 监控 生成器负载; 接力 由发电机 CT 和 VT 供电 如图4所示，将运行 当检测到任何负潮流时 .

失步保护 检测到一个条件 由电力系统干扰而非发电机故障引起 . 保护 检测发电机第一个极点滑倒时的情况 ，并导致发电机断路器跳闸 .

涡轮机 没有跳闸 使机器能够重新同步 系统干扰清除后 .

这种保护可以被认为是对失磁保护的补充。

失步 条件 发生在 generator 在完整字段 以及由于励磁不足而失去同步 生成器时发生 没有字段 .

失步保护 使用三个阻抗测量继电器 .这些继电器 由发电机 CT 和 VT 供电 并测量发电机 负载阻抗 ，检测电源摆动状况 如果三个继电器以正确的顺序运行 并将启动高压断路器跳闸 .

用于外部短路故障 过电流继电器 使用 (50; 50N; 51; 51N )。

欠频和过频保护 （ANSI/IEEE/IEC 代码 81 ) 还检测系统干扰，而不是发电机故障。 重大电力系统崩溃 可能导致发电量过多或不足 对于剩余的连接负载 .

在第一种情况 , 超频 , 可能有过电压 由于负载需求减少 . 在这种模式下操作 不会产生过热 除非额定功率和大约 105% 额定电压 被超过 .

应及时调整发电机控制以使发电机输出与负载需求相匹配 .

用代数不足 对于连接负载 , 低频 是重载需求的结果 .

电压下降 导致稳压器 增加兴奋 .结果是过热 可能发生在转子和定子中 . 同时 , 需要更多功率 , 发电机在衰减频率下供应它的能力较弱 .

自动或手动输电系统减载应在整个电力系统崩溃之前理想地调整负载以匹配连接的发电。

过压和欠压继电器 （ANSI/IEEE/IEC 代码 59 和 27 ) 用于控制电压 .

相位补充启动保护 用于检测条件 存在故障 s 当发电机加速运行 . 发电机当然不能在负载或故障状态下启动。

为了防止这种情况，保护方案 n 用于切换到服务低设置过电流继电器 仅限 如果频率 在 60 Hz 时低于 52 Hz 电力系统 和 50 赫兹上的 42 赫兹 系统 .

现在 IED （参见第 2.1 节）将所有必需的保护功能分组 常用于发电机保护 .

关于作者：Manuel Bolotinha

- 电气工程副学士学位 - 能源和电力系统（1974 - Instituto Superior Técnico/里斯本大学）
- 电气和计算机工程硕士学位（2017 - Faculdade de Ciências e Tecnologia/新里斯本大学）
– 变电站和电力系统高级顾问；专业导师